正弦波、方波、鋸齒波轉換器設計

1、欽 州學院 模擬電子技術課程設計報告 正弦波方波鋸齒波函數(shù)轉換器 院 系 物理與材料科學學院 專 業(yè) 學 生 班 級 姓 名 指導教師單位 物理與材料科學學院 指導教師姓名 指導教師職稱 副教授 2013年4月正弦波方波鋸齒波函數(shù)轉換器自動化（過程控制）專業(yè) 2010級3班 某某某指導教師 某某某摘要：正弦波和非正弦波發(fā)生電路常作為信號源被廣泛地應用于無線電通信以及自動測量和自動控制等系統(tǒng)中。通常把既能產(chǎn)生正弦波又能產(chǎn)生三角波、方波、鋸齒波等非正弦輸出信號的電路叫作函數(shù)信號發(fā)生器。本設計中依靠自激振蕩產(chǎn)生正弦波，再通過過零比較器生成方波，振蕩器將方波積分產(chǎn)生三角波，三角波通過改變正反象積分速度

2、可生成鋸齒波。完成后該電路能實現(xiàn)正弦波、方波和鋸齒波的轉換，且它們的幅值、頻率可調，且鋸齒波的占空比可調。關鍵詞：正弦波，方波，鋸齒波，RC振蕩，積分電路設計目的 :進一步掌握模電電子技術課程所學的理論知識。熟悉幾種常用集成放大器LM324N芯片，并掌握其工作原理，進一步學會使用其進行電路設計。掌握Multisim仿真軟件的使用。 設計技術指標與要求 :（1）基本功能 依靠RC振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過過零比較器生成方波，振蕩器將方波積分產(chǎn)生三角波，三角波通過改變正反象積分速度可生成鋸齒波。進而實現(xiàn)正弦波、方波和鋸齒波的轉換。（2） 基本要求輸出波形頻率范圍為0.02Hz20kHz且連續(xù)可調；

3、正弦波幅值為±2V，；方波幅值為2V；鋸齒波峰-峰值為2V，占空比可調。目錄前言11 正弦波方波鋸齒波函數(shù)轉換器11.1 設計思想11.1.1 設計方案11.1.2 方案論證與選擇21.1.3 設計所需原件31.1.4 芯片分析32 工作原理32.1 正弦波發(fā)生電路的工作原理32.1.1 正弦波振蕩電路32.1.2 正弦波振蕩電路的振蕩條件42.1.3 起振和穩(wěn)振52.1.4 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性52.2 方波發(fā)生電路工作原理62.3鋸齒波發(fā)生電路工作原理73 電路仿真83.1 仿真電路圖83.2 仿真波形圖84 電路連接測試94.1 安裝焊接95 總結12參考文獻13前言在

4、人們認識自然、改造自然的過程中，經(jīng)常需要對各種各樣的電子信號進行測量，因而如何根據(jù)被測量電子信號的不同特征和測量要求，靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現(xiàn)代測量技術值得深入研究的課題。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號(各種波形)，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘栐丛诟鞣N實驗應用和實驗測試處理中，它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。波形發(fā)生器就是信號源的一種，能夠給被測電路提供所需要的波形。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術，由分立元件或模擬集成電路構成，其電路結構復雜，不能根據(jù)實際需要靈活擴展。隨著微電

5、子技術的發(fā)展，運用單片機技術，通過巧妙的軟件設計和簡易的硬件電路，產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波、方波、三角波、鋸齒等幅值可調的信號。與現(xiàn)有各類型波形發(fā)生器比較而言，產(chǎn)生的數(shù)字信號干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡單方便。1 正弦波方波鋸齒波函數(shù)轉換器1.1 設計思想1.1.1 設計方案方案一 利用LM324芯片和RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波鋸齒波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成鋸齒波。電路結構圖如圖1.1所示，對應波形轉換如圖1.2所示。文氏橋振蕩電路積分電路過零比較器 圖 1.1電路結構圖方波

6、鋸齒波正弦波圖 1.2 波形轉換圖方案二 采用直接頻率合成器，從信號的幅度相位關系出發(fā)進行頻率合成。1.1.2 方案論證與選擇方案一 簡易多波形函數(shù)發(fā)生器是LM324在波形發(fā)生電路中的應用，分別通過RC震蕩產(chǎn)生正弦波行，滯回比較器產(chǎn)生方波波形，然后方波通過一個正反向積分速度不同的積分電路得到鋸齒波的輸出。優(yōu)點：“基于LM324的簡易多波形信號發(fā)生器” 使用很少的元件就能滿足題目要求，電路簡單，調試和仿真方便，造價低廉。缺點：穩(wěn)定性相對較差，抗干擾能力相對較弱。方案二 能實現(xiàn)快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導致直接頻率合成器的

7、結構復雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達到較高的頻譜純度。相對而言，方案一較為合理有效，且較易于實現(xiàn)，因此選擇方案一。1.1.3 設計所需原件（1）3個 220nF 電容；（2）2個2K、2個10K、1個5K、1個23K電阻和3個10K、1個50K、1個150K電位器；（3）2個濾波二極管（IN4148）和2個穩(wěn)壓二極管（IN4684 3.3V）；（4）1個集成放大芯片LM324。1.1.4 芯片分析本設計使用的唯一芯片是放大器LM423N。LM324N是四組 運算放大器,額定電源電壓:+15V。管腳如圖1.3所示。圖1.3 LM324N芯片管腳功能圖2 工作原理2.1

8、正弦波發(fā)生電路的工作原理2.1.1 正弦波振蕩電路它是不需外接輸入信號就能將直流能源轉化成具有一定振幅和一定頻率的正弦波電路。正弦波振蕩電路框圖如圖1.4所示。圖1.4 正弦波振蕩電路框圖2.1.2 正弦波振蕩電路的振蕩條件由上圖可知，如在放大電路的輸入端（1端）外接一定頻率，一定幅度的正弦波信號，經(jīng)過基本放大電路和反饋網(wǎng)絡的所構成的環(huán)路傳輸后，在反饋網(wǎng)絡的輸出端（2端），得到反饋信號，如果與在大小和相位上都一致，那么就可以除去外接信號，而將1、2兩端連接在一起（如圖b虛線所示）而形成閉環(huán)系統(tǒng)，其輸出端可能繼續(xù)維持與開環(huán)時一樣的輸出信號。這樣，由于=，便有或,在上式中，設=A , ，則可得到振

9、幅平衡條件即：相位平衡條件這是正弦波振蕩電路產(chǎn)生持續(xù)振蕩的兩個條件。振蕩電路的振蕩頻率f0是由相位平衡條件來決定的，一個正弦波振蕩電路只在一個頻率下滿足相位平衡條件，這個頻率就是f0，這就要求在環(huán)路中包含一個具有選頻特性的網(wǎng)絡，簡稱選頻網(wǎng)絡。2.1.3 起振和穩(wěn)振起振條件振蕩電路是單口網(wǎng)絡，無須輸入信號就能起振，其信號來源于電路電器中的噪聲，在噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率w0的噪聲信號被RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡選擇放大，成為振蕩電路的輸出信號。當輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。穩(wěn)幅的作用就是，當輸出信號幅值增加到一定程度時，使振幅平衡條件從 A()F()&

10、gt;1 回到 A()F()=1。2.1.4 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性如圖1.5所示。反饋系數(shù)又令s=j, = 圖1.5RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡則幅頻響應相頻響應當時，幅頻響應有最大值相頻響應2.1.5 文氏電橋RC振蕩器如圖1.6所示。 圖2.5 文氏電橋RC振蕩器當電路滿足相位平衡條件此時若放大電路的電壓增益為即 =2則振蕩電路滿足振幅平衡條件2.2 方波發(fā)生電路工作原理如圖2.6所示：圖2.6方波發(fā)生電路工作原理圖一定頻率的正弦波通過“過零比較器”生成占空比為50%的且頻率與正弦波相同的矩形波，即方波，輸出為幅值為2V的方波可以通過2V的雙向穩(wěn)壓管實現(xiàn)。2.3鋸齒波發(fā)生電路工作原理 圖2.

11、7鋸齒波發(fā)生電路工作原理圖改變三角波發(fā)生器中積分電路的充放電時間常數(shù)，使放電的時間常數(shù)為0，即把三角波發(fā)生器轉換成了鋸齒波發(fā)生器。 3 電路仿真3.1 仿真電路圖在計算機上使用multisim對設計的二階濾波器進行仿真，仿真的結果為基本實現(xiàn)最初的設計目標，仿真電路如圖2.8所示。圖2.8 正弦波、方波、鋸齒波函數(shù)轉換器仿真圖3.2 仿真波形圖圖2.9 正弦波、方波仿真圖圖3.0 鋸齒波仿真圖仿真出來的波形中正弦波的幅值為±1.8V，方波的幅值為4V，鋸齒波的幅值為1.85V。本電路圖仿真出來的頻率只能在幾十HZ到幾百HZ之間波動，這是本電路的最大問題。4 電路連接測試4.1 安裝焊接

12、計算機上使用Multisim繪制電路并按電路總圖2.8，在萬用板上焊接電路元器件實物，檢查電路的電氣連通性能正常。設計實物的正、反面圖如圖3.1、圖3.2所示，測試出來的波形圖如圖3.3、3.4、3.5所示。圖3.1 設計實物正面圖3.2 設計實物反面圖3.3 正弦波實測波形圖圖3.4 方波實測波形圖圖3.5 鋸齒波實測波形圖實測出來的波形中，正弦波的幅值較接近要求的幅值，方波和鋸齒波的幅值都普遍較大，這可能與焊接和硬件有關。實測的頻率與仿真出來的較接近，但都無法達到設計要求的頻率，這可能與設計的電路圖有關，待以后加以改進。5 總結由于此次是首次課程設計，在設計的時候考慮問題不夠全面，在器件選擇方面存在一定的問題，一些基礎的知識還沒有很好的掌握。但是經(jīng)過這次課程設計，我進一步加深了對以前所學模電知識的理解，還有就是明白了信號產(chǎn)生的原理和實現(xiàn)方法，學會相關軟件的使用。參考文獻1 王衛(wèi)東，李旭瓊.模擬電子技術基礎（第2版）M.北京：電子工業(yè)出版社，2010.52 楊承毅.電子元器件的識別和檢測M. 北京： 人民郵電出版社，2010.113 王立欣，楊春玲.電子技術實驗與課程設計M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，20034 陳大欽主編.電子技術基